50kN模鍛錘鍛造大缸底工藝研究

劉保民，馮俊華

（鄭州市技師學(xué)院，河南鄭州450006）

缸底是煤礦機(jī)械液壓支架上的一個(gè)重要零件。由于其生產(chǎn)批量較小、品種較多等原因，通常采用鑲塊模在50kN 模鍛錘上進(jìn)行開式模鍛。根據(jù)原一機(jī)部編制的《鍛壓車間設(shè)備選用圖冊》介紹，50kN 模鍛錘可鍛模鍛件重量為40kg，可鍛最大回轉(zhuǎn)體直徑?400（含毛邊）。而以往鍛造的直徑為?320 的缸底最大重量已達(dá)70kg，遠(yuǎn)超50kN 模鍛錘的負(fù)荷能力。故多年來，?＞320 的缸底一般都采用鑄造工藝制造。

由于鑄件內(nèi)部金屬組織粗大，力學(xué)性能低，同時(shí)又不可避免地存在偏析、砂眼、縮孔等缺陷，鑄造生產(chǎn)的缸底其組織和性能都要低于鍛件，在高壓工作時(shí)容易出現(xiàn)滲漏；機(jī)加工廢品率高。在研制一新型支架過程中，需要?400 大缸底，如圖1 所示。為了提高支架整體質(zhì)量，技術(shù)部門希望能采用模鍛工藝生產(chǎn)缸底毛坯，既可提高缸底毛坯強(qiáng)度，杜絕缸底滲漏，又能減少廢品率，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。但企業(yè)最大的模鍛設(shè)備為50kN 模鍛錘，通常情況下無法完成?400 大缸底的鍛造。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算設(shè)計(jì)，最終在此設(shè)備上成功鍛制出該大缸底。

1 開式模鍛工藝分析

錘上模鍛是上、下模塊分別緊固在錘頭與砧座上，將加熱的金屬坯料放入下模膛中，利用上模向下的沖擊作用，使金屬在鍛模模膛內(nèi)塑性流動，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件的一種模鍛工藝方法，分為開式模鍛和閉式模鍛兩大類。由于閉式模鍛受到坯料、出模方法等影響，應(yīng)用較少，一般均采用開式模鍛工藝進(jìn)行鍛造。

為確定工藝方案，首先對?400 缸底開式模鍛工藝方案進(jìn)行了分析計(jì)算。據(jù)《鍛造手冊》推薦的鍛錘噸位計(jì)算公式：

3.5～6.3——生產(chǎn)率系數(shù)，生產(chǎn)率越高數(shù)值越大。此處取平均值4.9；

F總——鍛件（包括飛邊）在水平面內(nèi)的投影面積。取飛邊寬40mm，經(jīng)計(jì)算水平投影面積 F總≈2378cm2；

K——鋼種系數(shù)(缸底材料為27SiMn，經(jīng)查表鋼種系數(shù)取1.1)。

計(jì)算得：G=12817kg。即鍛造?400 缸底采用一般生產(chǎn)率生產(chǎn)約需130kN 模鍛設(shè)備，與現(xiàn)有設(shè)備相差較大。即使采用較低的生產(chǎn)率生產(chǎn)，即生產(chǎn)率系數(shù)取3.5 時(shí)，計(jì)算得G=9155kg，即仍然至少需要90kN模鍛設(shè)備才能完成。以上分析說明，用50kN 模鍛錘采用開式模鍛工藝鍛造此?400 大缸底是不可行的，需研究其他工藝方案。

2 閉式模鍛工藝分析

開式模鍛的毛邊槽由橋部和倉部組成，由于橋部的存在，造成鍛件在成形過程中時(shí)間比較長，同時(shí)飛邊降溫速度又較快，使得所需成形力急劇上升。根據(jù)《鍛造手冊》可知，投影面積是影響鍛造力的主要因素。開式模鍛的飛邊造成了所需設(shè)備噸位較大。因此，要降低鍛造力，就需要減少工件的投影面積，去掉飛邊是唯一可行的辦法，即采用閉式模鍛工藝來鍛造?400 缸底。閉式模鍛由于無飛邊，因而投影面積小，可大幅降低鍛造成形力。據(jù)《鍛造工藝學(xué)》介紹，對于同一鍛件，在變形程度基本相同時(shí)，開式模鍛和閉式模鍛相比，閉式模鍛可減少25%的鍛造力。因此采用閉式鍛造，可增加成功率。采用閉式模鍛還可節(jié)省一套尺寸結(jié)構(gòu)較大的切邊模，同時(shí)也省去了切邊環(huán)節(jié)，減輕工人勞動強(qiáng)度。

針對閉式模鍛模具的特點(diǎn)，需對坯料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)?400 缸底零件圖，缸底側(cè)壁上有兩耳，機(jī)加工側(cè)壁比較困難，成本也較高，故鍛件外壁不留加工余量，在鍛造過程中注意清除氧化皮，鍛件鍛成后稍經(jīng)噴砂和修磨，即能滿足零件表面粗糙度要求。由于屬于超負(fù)荷鍛造，鍛造成形時(shí)間要比正常情況長，鍛件與模壁接觸后溫度下降較快，使金屬流動性變差,不利于鍛件成形,故對工件內(nèi)窩的余量適當(dāng)加大。據(jù)此制定?400 缸底閉式模鍛鍛件圖，如圖2 所示。

設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮加大內(nèi)壁余量，增加側(cè)壁厚度，應(yīng)有利于成形。按此計(jì)算，毛坯最大直徑為?469。兩耳加上余塊和斜度后，投影面積約為165×26.5×2。則鍛件最大成形投影面積為：

按照該權(quán)重系數(shù)分配方案計(jì)算各個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)的綜合評價(jià)值。即將該權(quán)重系數(shù)帶入式(5),即可求得各個(gè)候選父節(jié)點(diǎn)的綜合評價(jià)值。再由式(6),即可選出偏好父節(jié)點(diǎn)。即選擇綜合評價(jià)函數(shù)最小值對應(yīng)的候選父節(jié)點(diǎn)為偏好父節(jié)點(diǎn)。

另外，在設(shè)計(jì)缸底鍛模時(shí),兩耳在成形過程中能先充滿的部分放在上部，下部是添加的余塊。閉式模鍛仍可參照開式模鍛來選用設(shè)備噸位，其計(jì)算公式為：

從計(jì)算結(jié)果看，鍛造?400 缸底仍需70kN 模鍛錘，但較前面的計(jì)算來看，情況顯然好的多。我們進(jìn)一步進(jìn)行了分析研究，并根據(jù)有關(guān)參考資料介紹公式對成形力進(jìn)行了計(jì)算。

在《鍛造手冊》中，對有砧座錘的打擊力P（平均值）與能量的關(guān)系如下：

式中：P——鍛錘的打擊力；

Eg——鍛錘公稱打擊能量；

δ1——鍛坯在鍛靠時(shí)的變形量；

δ2——砧座在打擊過程中的下移量；

m1——落下部分質(zhì)量；

m2——砧座的質(zhì)量。

由上式大致得出，50kN 模鍛錘的最終成形沖擊力在40000kN～50000kN 之間，經(jīng)計(jì)算，缸底獲得的單位變形力至少為：

采用閉式模鍛鍛造?400 缸底所需的變形力，可根據(jù)《鍛壓變形力的工程計(jì)算》一書中所給出的圓柱體閉式模鍛鐓粗單位變形力公式進(jìn)行計(jì)算:

式中：P2——閉式鐓粗時(shí)鍛件所需的單位變形力；

a1——鍛件角隙處的圓角半徑（允許取值為10mm）；

R——凹模筒的半徑，R=469/2mm；

由上式估算可得：P2≈2σs。

由于?400 缸底材料采用27SiMn，850℃時(shí)的屈服極限為σs=90MPa，則要模鍛出?400 缸底需要的單位變形力為P2≈2×90=180MPa。經(jīng)對比可得，50kN模鍛錘能提供的單位變形力220MPa，完全能滿足鍛造?400 缸底要求。

3 鍛造比及工藝方案

根據(jù)缸底鍛件圖考慮燒損等計(jì)算出坯料重量，選用的坯料尺寸為?300mm×351mm，由于坯料在模膛內(nèi)鐓粗成形后高度尺寸變?yōu)?60mm，由《鍛造工藝學(xué)》中局部鍛造比計(jì)算公式可得

鍛件中部的鍛造比約2.2。按《金屬壓力加工原理》一書介紹，鍛造比在2～3 之間時(shí)，鍛件的橫向力學(xué)性能與縱向力學(xué)性能達(dá)到最佳配比。因此，尺寸及外觀合格的鍛件，其鍛件性能應(yīng)當(dāng)能充分滿足支架對缸底的機(jī)械性能要求。

經(jīng)多次分析計(jì)算和對比，確定鍛造?400 缸底的工藝方案為：下料（?300mm×351mm）→煤氣加熱爐加熱→閉式模鍛成形（采用50kN 模鍛錘）→修整。

4 缸底封閉鍛模設(shè)計(jì)

根據(jù)以上研究分析，本著以下幾個(gè)原則，最終確定了?400 缸底閉式模鍛的鍛模（圖3）：①盡可能減少工件的水平投影面積，降低鍛造力；②在不影響成品質(zhì)量和金屬流動的情況下，盡量減少加工余量；③鍛模結(jié)構(gòu)要保證金屬有較好的流動性能；④由于工件尺寸大，故既要考慮操作方便，又要考慮成形時(shí)氧化皮清理方便，以滿足鍛件表面質(zhì)量要求，尤其是球面的質(zhì)量應(yīng)重點(diǎn)考慮；⑤鍛件外壁拔模斜度為7°，內(nèi)壁拔模斜度≥15°；⑥采用5CrMnMo 作為鍛模材料，鍛模毛坯首先進(jìn)行鍛造，鍛造后進(jìn)行等溫退火處理，要求在粗加工后進(jìn)行內(nèi)部探傷。

5 試制過程

在試制過程中，重點(diǎn)控制以下幾個(gè)方面：①鍛模預(yù)熱及模體工作溫度控制；②鍛造過程中壓風(fēng)壓力保證；③鍛坯加熱時(shí)每爐裝爐數(shù)量；④鍛坯加熱溫度測控（利用紅外測溫儀）；⑤坯料出爐轉(zhuǎn)運(yùn)；⑥型腔潤滑措施（采用石墨潤滑裝置）；⑦成品出模防磕碰措施；⑧鍛件成品堆積數(shù)量及冷卻方式；⑨鍛后檢測及缺陷修補(bǔ)等。

首批共試制了5 件，因鍛件重達(dá)196kg，整個(gè)鍛造過程比較艱苦，在坯料裝出爐、鍛造成形等環(huán)節(jié)均遇到較大困難。但最終試制的缸底成形基本良好，并經(jīng)過各項(xiàng)檢驗(yàn)，?400 缸底完全滿足圖紙要求。

用50kN 模鍛錘鍛造?400 缸底雖然獲得了成功，但還是存在一定的問題：首先是設(shè)備噸位小，使得鍛造成形力偏低，鍛件成形時(shí)鍛錘錘擊次數(shù)較多，長此以往對鍛錘會造成一定損害；二是因鍛件成形時(shí)間較長，鍛坯在模具中停留時(shí)間長，造成鍛模升溫較快，溫度較高。鍛件下錘后需噴大量冷卻劑使鍛模降溫。而鍛模驟冷驟熱，降低了模具使用壽命。

6 結(jié)論

使用小噸位模鍛錘，干超負(fù)荷模鍛件，采用閉式模鍛工藝是一種可行的思路。但在采用閉式模鍛工藝鍛造時(shí)，投影面積應(yīng)盡量限制在開式模鍛工藝所允許的范圍內(nèi)，這樣可避免對設(shè)備和鍛模造成的傷害。同時(shí)，在采用閉式模鍛工藝時(shí)，應(yīng)使工件形狀易于充滿；閉式模鍛鍛件的內(nèi)外斜度應(yīng)比開式模鍛件的大。另外還應(yīng)考慮工件出模的難易程度，在外形、斜度、余塊、圓弧、余量等方面進(jìn)行優(yōu)化改善。在鍛造超負(fù)荷鍛件時(shí)，應(yīng)重視鍛坯加熱質(zhì)量和鍛模潤滑，采用性能優(yōu)良的潤滑劑，并使坯料保持在鍛造溫度上限，可有效降低鍛造力，有利于鍛件的脫模。

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